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C语言中的编译和链接

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前言

一、 翻译环境和运行环境

二、 翻译环境

2.1 编译

2.1.1 预处理

2.1.2 编译

2.1.2.1 词法分析 :

2.1.2.2 语法分析

2.1.2.3 语义分析

2.1.3 汇编

2.2 链接

三、运行环境


前言

        在我们平常的写代码时,我们很少关注代码编译和链接的过程,因为通常的开发环境都是集成开发环境IDE),像vs一样编译和链接都是一步完成。在c语言中,我们在.c的文件中写代码,代码是怎么经过vs的处理使得代码可以运行呢?(怎么变成.exe运行程序呢?),下面我们来仔细探究一下代码是如何被编译和链接的,如何生成可以运行的程序的


一、 翻译环境和运行环境

        在ANSI C(美国国家标准学会的任何⼀种实现中,存在两个不同的环境。

第1种是翻译环境,在这个环境中源代码被转换为可执行的机器指令


第2种是执行环境,它用于实际执行代码

        如下图,在一个项目中我们有三个c语言文件,运行时我们首先在翻译环境将三个不同的文件进行编译,然后将三个文件进行链接,最后在运行环境生成可执行的程序

   

二、 翻译环境

        在翻译环境中,文件是如何进行的呢?是怎么将源代码转换为可执行的机器指令的呢?这里我们就得展开开讲解一下翻译环境所做的事情。

        其实翻译环境是由编译和链接两个大的过程组成的,而编译又可以分解成:预处理(有些书也叫预编译)、编译汇编三个过程。

        

        ⼀个C语言的项目中可能有多个 .c 文件⼀起构建,那多个 .c 文件如何生成可执行程序呢?
        

• 多个.文件单独经过编译出编译处理⽣产对应的目标文件。
• 注:在Windows环境下的目标文件的后缀是 .obj ,Linux环境下目标文件的后缀是 .o
• 多个目标文件和链接库⼀起经过链接器处理生成最终的可执行程序
• 链接库是指运行时库(它是⽀持程序运⾏的基本函数集合)或者第三⽅库。
 

        如果再把编译器展开成3个过程,那就变成了下面的过程:

        如下图,下面是我们写的代码,肉眼就看得出来这是一些字符组成的信息,这种是我们在.c文件下写的代码,这种叫做源文件,它是无法直接运行的。因为计算机能够识别的是二进制信息,那么像这样的文本是不能被识别的,因此要有翻译环境,通过翻译环境使得我们所写的代码变成二进制的运行程序。

        

当我们点击生成解决方案之后,打开test.c上一路径的目录中会发现有.exe的运行程序。

这个程序中就是计算机所能看懂的二进制文件,我们使用记事本打开会发现,里面全是乱码,是我们所不能看懂的信息。

        因此我们需要进行翻译,使得计算机能够实现程序,那么该如何实现翻译阶段呢?

我们就需要通过编译与链接。

2.1 编译

        编译可以分为三个阶段,预处理(有些书也叫预编译)、编译、汇编三个过程。

编译之后就会生成目标文件(vs中是 .obj , gcc 中是 .o).

当然它也是二进制文件,用记事本打开时乱码。如果有多个 .c 文件就很生成多个 .obj  (或.o)文件。最后通过链接库来将这些目标文件生成可执行程序

2.1.1 预处理

        在预处理阶段,源文件和头文件会被处理成为  .i  为后缀的文件。由于vs中没有可以查看预编译的指令,我们使用gcc环境下来查看。当然目前我们并不需要知道这些指令是怎么来的,我们只需要知道通过这些指令我们可以查看编译的三个阶段。

        在gcc环境下,对test.c文件进行预处理后的i文件,命令如下:

    gcc -E test.c -o test.i

        预处理阶段主要处理那些源文件中#开始的预编译指令。比如:#include,#define,处理的规则如下:
        • 将所有的 #define 删除,并展开所有的宏定义
        • 处理所有的条件编译指令,如: #if、#ifdef、#elif、#else、#endif
        • 处理#include预编译指令,将包含的头文件的内容插⼊到该预编译指令的位置。这个过程              是递归进行的,也就是说被包含的头文件也可能包含其他文件。
        • 删除所有的注释
        • 添加行号和文件名标识方便后续编译器生成调试信息等。
        • 或保留所有的#pragma的编译器指令,编译器后续会使用。

        经过预处理后的 .i 文件中不再包含宏定义,因为宏已经被展开。并且包含的头文件都被插⼊到 .i 文件中。所以当我们无法知道宏定义或者头文件是否包含正确的时候,可以查看预处理后的.i文件来确认

        如下图在gcc环境中的代码,使用如下指令。

就会生成test.i文件,而通过指令我们会发现预编译阶段的代码行数到了700多行。

        哪来的这么多行代码呢?仔细的观察会发现,#include <stdio.h>消失了,我们知道头文件中有很多库函数等等相关的代码,include 表示包含的意思,实际上头文件在预处理阶段被全部包含出来了,就如上面所讲的规则一致。

2.1.2 编译

         编译过程就是将预处理后的文件进行一系列的:词法分析、语法分析、语义分析及优化,生成相应的汇编代码文件
        编译过程的命令如下:

         gcc -S test.i -o test.s

假设我们预处理阶段已经生成了text.i文件,那我们使用命令对下面的代码进行编译,会怎么做呢?

array[index] = (index+4)*(2+6);

2.1.2.1 词法分析 :

        将源代码程序被输入扫描器,扫描器的任务就是简单的进行词法分析,把代码中的字符分割成一系列的记号(关键字、标识符、字面量、特殊字符等)。
上面程序进行词法分析后得到了16个记号:

2.1.2.2 语法分析

        接下来语法分析器,将对扫描产生的记号进行语法分析,从而产生语法树。这些语法树是以表达式为节点的树。

2.1.2.3 语义分析

         由语义分析器来完成语义分析,即对表达式的语法层面分析。编译器所能做的分析是语义的静态分析。静态语义分析通常包括声明和类型的匹配类型的转换等。这个阶段会报告错误的语法信息。

2.1.3 汇编

        汇编器是将汇编代码转变成机器可执行的指令,每一个汇编语句几乎都对应一条机器指令。就是根据汇编指令和机器指令的对照表一一的进行翻译,也不做指令优化。
汇编的命令如下:

        gcc -c test.s -o test.o

2.2 链接

        链接是⼀个复杂的过程,链接的时候需要把⼀堆文件链接在⼀起才⽣成可执行程序。
链接过程主要包括:地址和空间分配,符号决议和重定位等这些步骤。
链接解决的是⼀个项目中多文件、多模块之间互相调用的问题。

        比如:

在⼀个C的项⽬中有2个.c文件( test.c 和 add.c ),代码如下
我们已经知道,每个源文件都是单独经过编译器处理⽣成对应的目标文件。
test.c 经过编译器处理⽣成 test.o 
add.c 经过编译器处理⽣成 add.o 
我们在 test.c 的文件中使⽤了 add.c 文件中的 Add 函数和 g_val 变量。
我们在 test.c 文件中每⼀次使⽤ Add 函数和 g_val 的时候必须确切的知道 Add 和 g_val 的地
址,但是由于每个⽂件是单独编译的,在编译器编译 test.c 的时候并不知道 Add 函数和 g_val
变量的地址,所以暂时把调⽤ Add 的指令的⽬标地址和 g_val 的地址搁置。等待最后链接的时候由链接器根据引⽤的符号 Add 在其他模块中查找 Add 函数的地址,然后将 test.c 中所有引⽤到
Add 的指令重新修正,让他们的⽬标地址为真正的 Add 函数的地址,对于全局变量 g_val 也是类
似的⽅法来修正地址。这个地址修正的过程也被叫做:重定位

前⾯我们⾮常简洁的讲解了⼀个C的程序是如何编译和链接,到最终⽣成可执⾏程序的过程,其实很多内部的细节⽆法展开讲解。⽐如:⽬标文件的格式elf,链接底层实现中的空间与地址分配,符号解析和重定位等,如果你有兴趣,可以看《程序的⾃我修养》。

三、运行环境

        1. 程序必须载⼊内存中。在有操作系统的环境中:一般这个由操作系统完成。在独立的环境中,程序的载⼊必须由手工安排,也可能是通过可执行代码置⼊只读内存来完成。
2. 程序的执⾏便开始。接着便调用main函数。
3. 开始执行程序代码。这个时候程序将使用⼀个运行时堆栈(stack),存储函数的局部变量和返回地址。程序同时也可以使⽤静态(static)内存,存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程⼀直保留他们的值。
4. 终止程序。正常终止main函数;也有可能是意外终止。


如果有所收获可以留下点赞和关注,谢谢你的观看!

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